一种用于矿区开采沉陷监测的GNSS高程精度提升装置与方法

本发明属于矿区开采沉陷监测领域，具体涉及一种用于矿区开采沉陷监测的gnss高程精度提升装置与方法。

背景技术：

1、矿区开采沉陷监测是掌握地下开采引起地表沉陷变形特征，进而预防及有效控制矿区地质灾害的重要手段。随着煤矿开采规模增强，地表移动变形波及范围广、持续时间长、沉陷特征复杂，存在监测面积大、数据采集频繁、测点易受破坏、数据采集和处理工作难度大等问题，传统的矿区地表移动监测方法监测存在监测成本高、自动化实时化程度低等问题。随着我国北斗三号系统的全球组网完成，基于北斗/gnss多频多系统实时定位技术在矿区开采沉陷、建(构)筑物变形监测等方面已发挥了越来越大的作用，为开发网络化、自动化、智能化的矿区开采沉陷监测系统，实现地表移动变形信息快速采集、高精度解算、自动化处理、高效管理与分析及开采沉陷静动态预计等目标提供了技术支撑。

2、gnss rtk是一种广泛应用于矿区开采沉陷监测的实时定位技术，能够快速测定矿区地表移动监测站的平面位置，但其高程精度较差(一般仅可达±30mm)难以满足毫米级高程测量精度需求的的矿区开采沉陷监测；若按常规方法增加四等几何水准测量，虽然高程测量的精度可以满足要求，但需要组织大量的人力物力，使得实施特别困难甚至无法持续。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提出了一种用于矿区开采沉陷监测的gnss高程精度提升装置与方法，从监测装置研制和数据处理方法研究方面，使得gnss高程测量的精度达到四等几何水准的精度，以解决长期以来地表移动观测站建立与观测过程中需花费大量人力物力的瓶颈问题，也为矿区区域开采沉陷预计模型研究、gnss高精度定位算法验证提供测试平台。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种用于矿区开采沉陷监测的gnss高程精度提升装置，包括：机械运动模块、gnss测量模块和数据处理模块组成；

4、其中，所述gnss测量模块，由gnss接收机、测量手簿、测量对中杆组成；

5、所述机械运动模块用于控制测量对中杆中的伸缩杆在铅垂线方向运动，自动采集伸缩杆的杆高数据；

6、所述gnss测量模块用于测量矿区开采沉陷监测站的三维坐标；

7、所述数据处理模块用于对采集的所述机械运动模块和所述gnss测量模块的数据进行处理，实现gnss高程精度提升。

8、优选的，所述机械运动模块包括：嵌入式控制器、机电磁场定向控制器、机电式脉冲伺服电机、联轴器、滚珠丝杠线性导轨、磁电式电机编码器、数据储存模块、触摸式传感器、gnss授时模块、时间同步模块和直流电源；

9、其中，机电式脉冲伺服电机和滚珠丝杠线性导轨使用联轴器相连接，电机输出轴与丝杠均使用d型轴，丝杠与导轨上的滚珠滑台相连接，导轨中部使用滚珠滑台固定位置，使两段导轨沿主丝杠方向线性移动，导轨与测量对中杆之间使用多个树脂连接件进行连接；嵌入式控制器、数据存储模块、时间同步模块、gnss授时模块与直流电源集成在同一块pcb上；机电磁场定向控制器与触摸传感器通过导线与嵌入式控制器相连接。

10、优选的，对采集的所述机械运动模块和所述gnss测量模块的数据进行处理的方法包括：

11、对采集的所述机械运动模块和所述gnss测量模块的数据进行融合并进行sage-husa自适应kalman滤波处理，实现gnss rtk高程精度提升。

12、本发明还提供了一种用于矿区开采沉陷监测的gnss高程精度提升方法，应用所述的用于矿区开采沉陷监测的gnss高程精度提升装置实现，包括以下步骤：

13、打开电源进行utc时间同步，待时间更新完成后将gnss接收机通过螺丝固定在测量对中杆中的伸缩杆顶端，将设备架设至矿区监测点上，进行对中、整平操作，并利用测量手簿进行初始化数据设置后进行gnss测量；

14、通过触摸式传感器启动机电式脉冲伺服电机，按照预先设定的速度，在驱动电路速度闭环算法的控制下匀速转动，带动测量对中杆中的伸缩杆及gnss接收机在铅垂方向运动，实现连续动态调节测量对中杆中的伸缩杆的杆高位置，并使用磁电式电机编码器实时获取杆高测量数据，待滚珠滑台完成一次或多次往返周期运动后，伺服电机自动停止，同时gnss测量结束；

15、融合gnss与电机编码器测量值，获得监测站高程序列数据；

16、对获取的监测站高程序列数据进行滤波处理，实现gnss高程精度提升。

17、优选的，使用磁电式电机编码器实时获取杆高测量数据的方法包括：

18、安装在伺服电机尾部的磁电式电机编码器将读取电机转动的角度值，嵌入式控制器通过cs线路选中电机编码器，通过硬件电路的spi数据总线将电机转动角度传送至嵌入式控制器，并计算电机转动角度的累计值，再与滚珠丝杠线性导轨的单位进给量相乘，换算出当前伸缩杆的杆高；同时嵌入式控制器从时间同步模块中获取当前的utc时间，实时的将该时间和杆高数据存入存储模块。

19、优选的，融合gnss与电机编码器测量值，获得监测站高程序列数据的方法包括：

20、h2i＝f(h1i)，

21、xi＝h2i+h0-hi，i＝1,…,n，

22、其中，i为测量的某一历元，h1i为监测点在第i历元gnss测量获取的wgs-84坐标系下的高程，h2i为监测点的正常高，f为高程系统转换函数，h0为测量手簿中设定的测量对中杆中的伸缩杆运动前的初始杆高，hi为电机编码器记录的测量对中杆中的伸缩杆运动时的杆高，xi为融合gnss与电机编码器测量值后的监测点高程；n为测量次数。

23、优选的，对获取的监测站高程序列数据进行滤波处理的方法包括：

24、sage-husa自适应kalman滤波的状态方程和观测方程为：

25、xk+1＝φk+1,k·xk+ωk

26、lk+1＝hk+1·xk+1+νk+1

27、其中，k表示观测历元时刻，xk表示状态向量，φk+1,k表示状态转移矩阵，ωk表示过程噪声，lk+1表示观测向量矩阵，hk+1表示系数矩阵，νk+1表示观测噪声向量；

28、时间更新：

29、

30、其中，表示预测状态向量，qk表示控制量，表示预测协方差矩阵，pk表示协方差矩阵，qk表示动态噪声的协方差阵；

31、量测更新：

32、

33、其中，kk+1表示增益矩阵，rk+1表示观测噪声的协方差阵，i表示单位矩阵。

34、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

35、本发明公开了一种用于矿区开采沉陷监测的gnss高程精度提升装置与方法，较常规gnss测量设备，本装置由机械运动模块、gnss测量模块、数据处理模块组成。通过机械运动模块，可以使gnss测量对中杆中的伸缩杆在铅垂线方向运动，自动采集伸缩杆的杆高数据；通过gnss测量模块可测量矿区开采沉陷监测站的三维坐标；通过数据处理模块对采集的前两者数据进行融合并进行sage-husa自适应kalman滤波处理，实现gnss rtk高程精度提升，达到四等几何水准的精度，为解决长期以来矿区地表移动观测站建立及观测过程中需花费大量人力物力的瓶颈问题提供了一种解决思路。

技术特征：

1.一种用于矿区开采沉陷监测的gnss高程精度提升装置，其特征在于，包括：机械运动模块、gnss测量模块和数据处理模块组成；

2.根据权利要求1所述的用于矿区开采沉陷监测的gnss高程精度提升装置，其特征在于，所述机械运动模块包括：嵌入式控制器、机电磁场定向控制器、机电式脉冲伺服电机、联轴器、滚珠丝杠线性导轨、磁电式电机编码器、数据储存模块、触摸式传感器、gnss授时模块、时间同步模块和直流电源；

3.根据权利要求1所述的用于矿区开采沉陷监测的gnss高程精度提升装置，其特征在于，对采集的所述机械运动模块和所述gnss测量模块的数据进行处理的方法包括：

4.一种用于矿区开采沉陷监测的gnss高程精度提升方法，其特征在于，应用权利要求1-3任一项所述的用于矿区开采沉陷监测的gnss高程精度提升装置实现，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的用于矿区开采沉陷监测的gnss高程精度提升方法，其特征在于，使用磁电式电机编码器实时获取杆高测量数据的方法包括：

6.根据权利要求4所述的用于矿区开采沉陷监测的gnss高程精度提升方法，其特征在于，融合gnss与电机编码器测量值，获得监测站高程序列数据的方法包括：

7.根据权利要求4所述的用于矿区开采沉陷监测的gnss高程精度提升方法，其特征在于，对获取的监测站高程序列数据进行滤波处理的方法包括：

技术总结
本发明公开了一种用于矿区开采沉陷监测的GNSS高程精度提升装置与方法，较常规GNSS测量设备，本装置由机械运动模块、GNSS测量模块、数据处理模块组成。通过机械运动模块，可以使GNSS测量对中杆中的伸缩杆在铅垂线方向运动，自动采集伸缩杆的杆高数据；通过GNSS测量模块可测量矿区开采沉陷监测站的三维坐标；通过数据处理模块对采集的前两者数据进行融合并进行Sage‑Husa自适应Kalman滤波处理，实现GNSS RTK高程精度提升，达到四等几何水准的精度，为解决长期以来矿区地表移动观测站建立及观测过程中需花费大量人力物力的瓶颈问题提供了一种解决思路。

技术研发人员：杨旭,姚新新,吴仪,余学祥,蔡海兵,葛雅倩,周哲,王杰,陈新如,高泽慧,孙金堂
受保护的技术使用者：安徽理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5